一種高精度擠壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳國(guó)華，劉紅梅，李小俊

（合肥海德數(shù)控液壓設(shè)備有限公司，安徽 合肥 230601）

一種高精度擠壓機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳國(guó)華，劉紅梅，李小俊

（合肥海德數(shù)控液壓設(shè)備有限公司，安徽 合肥 230601）

本文結(jié)合某沖壓線的一臺(tái)高精度擠壓設(shè)備，簡(jiǎn)要分析如何實(shí)現(xiàn)西門(mén)子可編程控制器與交流伺服系統(tǒng)的通訊和控制，以及在高精度定位系統(tǒng)中的應(yīng)用。本文詳述了此類高精度擠壓機(jī)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)際工作性能。

液壓原理；機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；伺服系統(tǒng)；可編程控制器；MODBUS通訊

對(duì)于設(shè)備生產(chǎn)廠來(lái)說(shuō)，如何把設(shè)備的高效和高精度這一對(duì)矛盾體做到相對(duì)完美，已成研制設(shè)備的重中之重。而采用可編程控制器與伺服系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)設(shè)備的控制，則有效解決了高速度難以達(dá)到高精度這一對(duì)矛盾體的沖突，同時(shí)可有效減小能耗和降低噪聲污染。

本文所研究設(shè)備主要用于軸承類零件的擠壓，在一定工藝條件下也可完成軸類零件校正及折彎工藝。因此對(duì)設(shè)備的工作臺(tái)面大小要求不高，長(zhǎng)度和寬度一般設(shè)計(jì)在1m左右，但對(duì)設(shè)備的定位精度以及重復(fù)定位精度要求較高。為了達(dá)到這種高效率且定位精度高以及使用方便的要求，設(shè)備采用伺服控制系統(tǒng)以及機(jī)械死擋塊的方式來(lái)完成。

下面就將此類設(shè)備分成機(jī)械原理和電氣控制兩大部分進(jìn)行詳細(xì)分析講解。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓原理

1.1.1 死擋塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)

主機(jī)由機(jī)身、滑塊、主缸、機(jī)械死檔、油箱、行程限位、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。機(jī)身采用整體框架式結(jié)構(gòu)，以確保設(shè)備剛性?；瑝K采用四角八面導(dǎo)軌，調(diào)整精度高，剛性好，調(diào)整后不易發(fā)生精度跑偏現(xiàn)象。主缸采用單缸結(jié)構(gòu)，主行程限位采用直線位移傳感器對(duì)滑塊位置經(jīng)行實(shí)時(shí)顯示和控制，各位置控制轉(zhuǎn)換點(diǎn)可以在人機(jī)交互界面經(jīng)行調(diào)節(jié)，并在滑塊上設(shè)置上下極限行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)，保證滑塊不超程運(yùn)行。設(shè)備部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

為了達(dá)到高的定位精度和重復(fù)定位精度，在壓機(jī)主缸上部安裝有交流伺服電機(jī)控制的可調(diào)節(jié)閉合高度的機(jī)械限位，以保證壓機(jī)定程高度的一致性。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于活塞桿長(zhǎng)度的限制，對(duì)機(jī)械限位的調(diào)節(jié)是有限制的，針對(duì)本臺(tái)設(shè)備，限位可調(diào)節(jié)范圍在0～600mm。設(shè)備調(diào)節(jié)原理：PLC驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)軸器和齒輪軸，傳動(dòng)齒輪盤(pán)，螺桿套隨之可上下調(diào)節(jié)。以伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)為例，隨著伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿套隨之上移，移動(dòng)到某一位置停止，此時(shí)壓套與螺桿套之間的距離變小。當(dāng)油缸動(dòng)作時(shí)，因壓套與螺桿套之間的距離已經(jīng)固定，油缸的行程距離也因此被控制住，從而達(dá)到定位精度和重復(fù)定位精度的要求。

圖1 機(jī)械限位結(jié)構(gòu)

1.1.2 主機(jī)部分的液壓原理

上面分析了死擋的機(jī)械結(jié)構(gòu)，下面將具體分析設(shè)備的液壓部分原理和功能。本機(jī)的液壓原理如圖2所示。

液壓部分主要分為三大部分：①動(dòng)力部分，由電液伺服電機(jī)和IPV雙聯(lián)泵組成；②閥體部分；③油缸部分。這種高精度擠壓設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)的難點(diǎn)在于滑塊整體沖擊力小，壓力精度高，并在不增加液壓機(jī)能耗的基礎(chǔ)上提高工作效率。為滿足以上要求，本機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采取以下幾點(diǎn)：①雙聯(lián)泵。雙聯(lián)泵可以一臺(tái)獨(dú)立工作或兩臺(tái)同時(shí)工作，采用電機(jī)直接連接，機(jī)泵軸完全同心，振動(dòng)小、噪聲低。②伺服電機(jī)。實(shí)現(xiàn)位置和力矩的閉環(huán)控制，具有電機(jī)加減速時(shí)間短、發(fā)熱和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。③比例溢流閥+壓力傳感器。實(shí)現(xiàn)壓力的雙閉環(huán)控制，保證了壓力的高精度要求。

1.2 電氣系統(tǒng)和控制原理

1.2.1 電氣系統(tǒng)

本機(jī)電氣系統(tǒng)主要由西門(mén)子S7-200系列PLC、SMART1000IE觸摸式人機(jī)交換界面（簡(jiǎn)稱觸摸屏）和ESTUN伺服驅(qū)動(dòng)器，以及部分其他電氣元器件組成。其中CPU通過(guò)本體（CPU226）自帶脈沖輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)控制死擋塊的交流伺服系統(tǒng)，并通過(guò)MODBUS RTU通訊協(xié)議與控制器通訊，讀取驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部部分參數(shù)。PLC的擴(kuò)展模擬量輸出模塊(4通道輸出)，完成對(duì)主機(jī)部分的電液伺服系統(tǒng)和主缸上腔的比例壓力閥的控制。主操臺(tái)由觸摸屏和一組控制按鈕組合而成，用以完成設(shè)備的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)控和所有的動(dòng)作控制。其具體控制布局如圖3所示。

西門(mén)子S7-200PLC，CPU226型CPU性能良好，此類型CPU按照輸出類型可分為繼電器型和晶體管型。本機(jī)需要做脈沖輸出，而繼電器輸出響應(yīng)速度慢，發(fā)送的脈沖不穩(wěn)定，且壽命較晶體管短，因此這里選用晶體管輸出類型。另外這里需注意的是S7-200PLC最多可擴(kuò)展7個(gè)模塊。

圖2 液壓原理圖

圖3 控制系統(tǒng)布局

ESTUN在目前國(guó)內(nèi)高端智能裝備核心控制功能部件中處于領(lǐng)軍位置，是國(guó)內(nèi)唯一同時(shí)具備數(shù)控系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)三大技術(shù)平臺(tái)和完整系列產(chǎn)品的公司。本機(jī)主滑塊部分的控制采用的即為電液伺服系統(tǒng)，而死擋塊控制部分則用的是交流伺服系統(tǒng)。其中電液伺服系統(tǒng)輸出頻率范圍為0～167Hz，速度控制精度可以達(dá)到±0.5%，壓力控制精度可以達(dá)到±0.5%bar。其內(nèi)置多種通訊功能，例如RS485、MODBUS協(xié)議、CAN通訊等。具有強(qiáng)大的過(guò)載能力，可在超負(fù)載150%的情況下工作4～5min，超負(fù)載200%的情況下工作6s。交流伺服系統(tǒng)，速度控制范圍在1:5000，負(fù)載變動(dòng)率為滿載情況下，額定轉(zhuǎn)速時(shí)，可以達(dá)到±0.01%以下。其接收的脈沖指令可在符號(hào)+脈沖列、CCW+CW、90°相位差2相脈沖(A相+B相)之中任選一種；另外此系統(tǒng)也包含了過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)負(fù)載、再生故障、超速等等一系列保護(hù)措施；其內(nèi)置通訊功能除了和電液伺服系統(tǒng)相同部分以外，還包含了EtherCAT通訊模塊，采用CiA402協(xié)議。

1.2.2 電氣控制原理

首先介紹S7-200PLC對(duì)電液伺服驅(qū)動(dòng)器的控制。CPU226擴(kuò)展的4通道輸出模塊的通道1和通道2接入到電液伺服驅(qū)動(dòng)器CN2的1/4和2/4輸入端子上，輸出0～10V的電壓信號(hào)，對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而達(dá)到泵壓力和流量的控制。同時(shí)4通道輸出模塊的通道3輸出0～10V電壓信號(hào),輸入到比例壓力閥的放大卡上，對(duì)滑塊的壓力進(jìn)行二次控制，達(dá)到對(duì)滑塊壓力的高精度控制。

其次是S7-200PLC對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)器的控制。CPU226本體模塊上自帶兩個(gè)PPI協(xié)議接口，其中一個(gè)接口用來(lái)與SMART觸摸屏通訊，另一個(gè)接口用來(lái)與交流伺服驅(qū)動(dòng)器的通訊。下面介紹PLC如何與交流伺服控制器建立通訊。

連接上電纜后，需要在S7-200PLC的編程軟件STEP7-Micro/Win中加載庫(kù)文件，加載完成后，軟件界面的庫(kù)文件中會(huì)多出需要使用功能塊。

在主程序中添加子程序，然后在子程序中插入網(wǎng)絡(luò)。若此時(shí)使用的是port1口，則在網(wǎng)絡(luò)中添加port1的MBUS-CTRL和MBUS-MSG功能塊。MODBUS通訊程序如圖4所示。MBUS-CTRL功能塊各引腳的定義是：EN-功能塊的使能；Mode-表示PLC的port1口的功能，高電平時(shí)為Modbus通訊接口，低電平時(shí)為PPI接口；Baud-伺服控制器與PLC之間的通訊波特率（設(shè)置時(shí)注意必須與伺服控制器一致）；Parity-0表示無(wú)校驗(yàn)，1表示奇校驗(yàn)，2表示偶校驗(yàn)（設(shè)置時(shí)與控制器一致）；Timeout-相對(duì)時(shí)間；Done-完成位；Error-錯(cuò)誤代碼。MBUS-MSG功能塊各引腳定義是：EN-使能；First-工作位條件滿足時(shí)間脈沖加上升沿微分；Slave-伺服控制器的站點(diǎn)號(hào)；RW-高電平為只寫(xiě)，低電平為只讀；Addr-需要讀取控制器內(nèi)部的參數(shù)地址，換算式為40000保持寄存器加上參數(shù)地址（本機(jī)需要讀取控制器內(nèi)部的電機(jī)編碼器數(shù)值，控制內(nèi)部首地址為4100，而編碼器地址為H1101，換算成16進(jìn)制后為13，所以讀取44113即可完成編碼器數(shù)值的讀?。?；Count-通訊的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；DataPtr-數(shù)據(jù)存儲(chǔ)棧地址；Done-完成標(biāo)志；Er-ror-錯(cuò)誤代碼存儲(chǔ)。

圖4 MODBUS通訊程序

CPU226本體自帶2組脈沖輸出，可以同時(shí)控制兩路伺服驅(qū)動(dòng)器。本機(jī)用了CPU的Q0.0（pulse）和Q0.2（signal）一對(duì)控制點(diǎn)。脈沖控制程序如圖5所示。

圖5 脈沖控制程序

1.3 操作

綜合上述步驟，便完成PLC對(duì)整個(gè)伺服系統(tǒng)的控制和監(jiān)控。為了使用戶更加方便地使用和操作設(shè)備，本機(jī)在觸摸屏上設(shè)置自動(dòng)校準(zhǔn)按鈕。其工作原理是：根據(jù)壓件成品的高度，直接在觸摸屏上的參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置位置。按下自動(dòng)校準(zhǔn)按鈕，死檔塊交流伺服電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到讀取位置與設(shè)置位置相同時(shí)，電機(jī)立即停止。此時(shí)按下滑塊雙手下行按鈕，主油缸快速下行，因壓套與螺桿套之間的距離已經(jīng)固定，主油缸下行到此位置時(shí)，活塞桿上的大螺母受力，主缸下行受限，從而達(dá)到快速且精準(zhǔn)定位的功能。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)電氣系統(tǒng)中的PLC與伺服系統(tǒng)相互作用，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)中死擋塊的巧妙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了快速且精準(zhǔn)的定位功能。該系統(tǒng)不僅功能性好，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且節(jié)能降噪，對(duì)同類型高精度控制設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1]寇寶泉，程樹(shù)康，主編.交流伺服電機(jī)及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]Micro’n Powerv1.8 操作手冊(cè).

[3]ProNet系列交流伺服用戶手冊(cè)_V2.16(通用伺服).

Design and implementation of electrical control system for a high precision extrusion machine

WU Guohua,LIU Hongmei,LI Xiaojun
（Hefei Haide CNC Hydraulic Equipment Co.,Ltd.,Hefei 230601,Anhui China）

By combination of a high precision extrusion machine in some punching line from Shanghai bearing technology research institute,the way to realize the communication and control of SIEMENS PLC and AC servo system has been simply analyzed in the text,as well as the application in the high precision locating system.The design principle and actual working performance of this kind of high precision extrusion machine have been described in detail.

Hydraulic principle;Mechanical transmission structure;Servo system;PLC;MODBUS communication

TG375

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.014

1672-0121（2017）04-0047-04

2017-04-24；

2017-06-08

吳國(guó)華（1985-），男，電氣工程師，從事機(jī)械制造電氣設(shè)計(jì)。E-mail：445479816@qq.com